Comme le mentionne Nonnon (1993, p. 152), l’objectif des mises à l’essai empiriques est la mise en évidence, par un processus empirique et essentiellement inductif, des variables associées à l’utilisation du prototype et susceptibles d’être étudiées systématiquement. Ainsi le rôle des mises à l’essai empiriques est nécessairement plus exploratoire que discriminatoire. Nous nous sommes donc fixé comme objectif principal, pour les mises à l’essai de l’environnement développé, de rendre compte des fonctionnalités complètes du prototype, mais avec un nombre limité d’élèves. Ces fonctionnalités étaient, d’une part, d’offrir la possibilité aux les élèves de s’engager dans un processus de modélisation et, d’autre part, d’enregistrer et d’identifier les étapes du raisonnement effectué par les élèves. Pour atteindre cet objectif, nous avons effectué deux mises à l’essai impliquant des élèves du collégial suivant le cours de mécanique. Nous avons choisi, pour favoriser l’appropriation par les professeurs de l’environnement développé, des élèves dont les professeurs avaient aussi été impliqués lors des mises à l’essai fonctionnelles et qui avaient par conséquent contribué à l’élaboration des conditions des mises à l’essai empiriques. Il est à noter que les professeurs étaient présents lors des mises à l’essai impliquant les élèves et étaient invités à intervenir minimalement auprès des élèves comme ils l’auraient fait lors d’une séance au laboratoire.
Pour tenter de mettre en évidence, autant que possible, des variables associées à une utilisation réelle de l’environnement d’apprentissage, nous avons élaboré, avec l’aide des professeurs impliqués dans cette mise à l’essai, un scénario d’utilisation par des élèves en équipe au laboratoire. Bien entendu, il nous fallait considérer que les élèves n’avaient aucune expérience avec l’environnement et c’est pourquoi nous avons prévu de séparer le scénario en trois parties : une première partie de présentation des fonctionnalités de l’environnement par le professeur, une seconde partie de familiarisation des élèves avec l’environnement sous la forme d’exercices et une troisième partie d’expérimentation des élèves avec l’environnement. Nous avons aussi prévu, pour les besoins de cette recherche, d’enregistrer à l’aide d’un magnétophone les observations et les commentaires des élèves durant toute la durée de l’expérimentation des élèves afin de conserver autant d’observations que possible et de pouvoir comparer a posteriori ces observations et ces commentaires aux enregistrements effectués par l’environnement d’apprentissage lui-même. Nous allons dans ce qui suit décrire en détail le scénario retenu, puis nous poursuivrons en présentant les résultats obtenus pour chacune des expérimentations avec les élèves.
6.3.1. Scénario d’intervention auprès des élèves
Les mises à l’essai empiriques ont eu lieu le 6 novembre 2003 entre 11h30 et 15h15. Quatre élèves choisis sur une base volontaire ont participé aux mises à l’essai à l’extérieur des périodes normales de cours. Ces élèves avaient pour professeur celui qui avait participé à la première mise à l’essai fonctionnelle et qui a aussi accepté de superviser le travail de ses élèves durant les mises à l’essai empiriques. Les élèves étaient inscrits au programme Sciences de la nature en première année.
Résultats, interprétations et discussion 129
Nous avons tout d’abord convenu que, par souci d’efficacité, le professeur devait commencer par présenter brièvement les fonctionnalités principales de l’environnement d’apprentissage. Cette présentation devait faire intervenir une projection sur un écran de la fenêtre principale de l’environnement à mesure que le professeur effectuait quelques opérations simples illustrant par l’exemple chacune des fonctionnalités susceptibles d’être utilisables ultérieurement par les élèves. La présentation d’une durée totale d’environ 15 minutes comportait les éléments suivants :
1) Présentation des trois types de fenêtre (5 minutes)
a) Fenêtre de simulation dans laquelle on peut créer, modifier et animer les objets de la simulation ou la séquence vidéo d’une expérimentation ;
b) Fenêtre des graphiques qui permet d’afficher un ou plusieurs graphiques des paramètres simulés ou mesurés en fonction du temps ou en fonction d’autres paramètres ;
c) Fenêtre des paramètres qui permet d’afficher ou de modifier les paramètres simulés ou mesurés ainsi que les paramètres d’affichage de chacun des graphiques ;
2) Présentation de la création de simulations (5 minutes)
a) Paramètres globaux de simulation qui s’appliquent pour tous les objets ;
b) Balles qu’on peut déplacer en cliquant sur la balle et dont on peut modifier la vitesse en cliquant sur la pointe de la flèche ;
c) Parois sur lesquelles les balles rebondissent ;
d) Ressorts qui sont des balles reliées par des cordes élastiques ;
e) Animer et arrêter la simulation avec des boutons qui ressemblent à ceux d’un magnétoscope ;
3) Présentation de l’analyse d’une séquence vidéo (5 minutes)
a) Insertion d’une séquence vidéo comme image de fond à l’aide du menu ; b) Mesurer les points en cliquant sur chacune des images de la séquence vidéo ; d) Afficher un graphique à l’aide du bouton de la barre d’outils ;
e) Modifier les paramètres d’affichage d’un graphique dans la fenêtre des paramètres après avoir cliqué d’abord sur le graphique ;
f) Afficher une fonction sur un graphique en insérant une expression dans la case appropriée de la fenêtre des paramètres pour le graphique choisi.
Dans un deuxième temps, mais toujours dans le but de familiariser les élèves avec l’environnement d’apprentissage, nous avons convenu de leur donner quelques exercices à réaliser à l’aide de l’environnement d’apprentissage et qui reprenaient essentiellement les éléments de la présentation précédente. Ces deux exercices, d’une durée totale d’environ 40 minutes, étaient formulés comme suit :
1) Exercice proposé pour la simulation (20 minutes)
a) Pouvez-vous utiliser l’environnement d’apprentissage pour obtenir le temps de chute d’une balle d’une hauteur de 3 m?
b) Pouvez-vous utiliser l’environnement d’apprentissage pour tracer le graphique de la hauteur en fonction du temps pour cette balle?
c) Pouvez-vous superposer la fonction Vy=-9,8*T sur le graphique de la vitesse en fonction du temps pour cette balle?
2) Exercice proposé pour l’analyse d’une séquence vidéo (20 minutes)
a) Pouvez-vous utiliser l’environnement d’apprentissage pour obtenir le graphique de la position en fonction du temps pour la chaise qui se déplace sur le vidéo?
130 Chapitre 6
b) Quelle est la plus grande vitesse de la chaise?
c) Pouvez-vous déterminer si la décélération de la chaise est constante? Quelle est la valeur du coefficient de frottement entre la chaise et le sol?
Dans un troisième temps, les élèves étaient invités à filmer une séquence vidéo de la chute simultanée de trois objets différents choisis par le professeur et dont le mouvement étaient influencé par le frottement à différents degrés. Le premier objet était un ballon rond dont on s’attendait à ce que le mouvement soit peu influencé par le frottement, le second objet était une boule de papier froissé dont on s’attendait à ce que le mouvement soit relativement influencé par le frottement et le troisième objet était un filtre à café de forme approximativement conique et dont on s’attendait à ce que le mouvement soit dominé par le frottement. Les deux images suivantes ont été tirées de la vidéo obtenue.
Figure 20. Images extraites de la vidéo utilisée lors des mises à l’essai empiriques
Ensuite, les élèves étaient regroupés en équipes de deux, puis trois questions étaient posées aux élèves par écrit et au tableau, soit :
1) Est-ce que le frottement joue un rôle dans le mouvement de chacun des trois objets sur la séquence vidéo que vous avez obtenue?
2) Est-ce que vous pouvez reproduire en simulation le mouvement de chacun de ces trois objets? 3) Est-ce que la force de frottement pour chacun des trois objets est constante, proportionnelle à la
vitesse ou à la vitesse au carré?
Une période de 90 minutes était allouée aux élèves pour tenter d’obtenir des réponses aux questions posées. Dans les faits, tous les élèves ont terminé leur analyse avant la fin de la période allouée, soit moins de 60 minutes après le moment où les questions ont été écrites au tableau. Une capture d’écran illustrant le cheminement des élèves est présentée dans la figure suivante :
Résultats, interprétations et discussion 131
Figure 21. Capture d’écran pour les mises à l’essai empiriques
Nous présentons d’abord dans ce qui suit l’analyse de la tâche à accomplir par les élèves. Nous présenterons ensuite une synthèse de l’évaluation des aspects techniques de l’environnement associés à l’expérimentation avec les élèves. Nous poursuivrons avec la synthèse du cheminement cognitif effectué par les élèves. Il est à noter que la transcription complète des enregistrements obtenus lors de l’expérimentation est présentée dans l’Annexe IV.
6.3.2. Analyse des tâches à accomplir par les élèves
Les trois questions posées concernaient les variables t, y, vy et ay associées au thème de la cinématique. Elles faisaient aussi référence à la force de frottement qui n’avait pas été spécifiquement abordée préalablement en classe. Au niveau des connaissances préalables, nous avons supposé que les élèves étaient familiers avec les équations du mouvement pour un objet en chute libre. En ce qui concerne le frottement de l’air, nous avons considéré que les élèves n’avaient aucune connaissance préalable.
L’objectif de ces questions était de leur faire prendre conscience de l’influence du frottement sur le mouvement de chacun des objets. Au niveau cognitif, la situation proposée faisait intervenir la p-prim d’Ohm qui, comme nous l’avons mentionné dans la section 3.3.3 Conception et intuition, met en relation un AGENT (la gravité) qui produit un RÉSULTAT (l’accélération) contre une RÉSISTANCE (le frottement). Il est important de noter que le fait que les élèves donnent ou non des réponses adéquates aux trois questions n’était pas vraiment significatif lors de cette mise à l’essai étant donné le nombre limité d’élèves impliqués.
Pour obtenir des réponses aux questions posées, les élèves pouvaient procéder de la façon suivante :
132 Chapitre 6
1) choisir un premier objet
2) observer le mouvement directement sur la séquence vidéo; 3) mesurer les positions successives de l’objet choisi; 4) choisir les paramètres expérimentaux à afficher; 5) ajuster certains paramètres expérimentaux; 6) créer une ou plusieurs balles simulées; 7) choisir les paramètres de simulation à afficher; 8) ajuster les paramètres de simulation;
9) afficher les graphique de certains paramètres en fonction du temps; 10) afficher des courbes théoriques sur les graphiques;
11) comparer les images réelles avec les images simulées; 12) comparer les valeurs numériques mesurées et simulées;
13) comparer les courbes théoriques, les courbes mesurées et les courbes simulées; 14) répéter toutes les étapes pour les deux autres objets.
Il est important de noter que les étapes pouvaient être effectuées dans n’importe quel ordre vraisemblable et que chacune de ces étapes pouvait aussi ne pas être effectuée du tout. Ainsi, les étapes 3), 4) et 5) concernant les mesures pouvaient aussi être effectuées après les étapes 6), 7) et 8) concernant la simulation. Les étapes 9) et 10) concernant les graphiques pouvaient être effectuées à tout moment. Les étapes 11) et 12) devaient quant à elles être effectuées après que des mesures aient été obtenues et qu’une simulation ait été produite. L’étape 13) supposait que deux éléments à comparer (parmi les trois proposés) aient été préalablement produits. L’étape 14) indique que toutes les étapes précédentes pouvaient être recommencées une deuxième et une troisième fois.
La réponse à la première question concernant le rôle du frottement dans le mouvement de chacun des objets pouvaient être obtenue en observant directement la séquence vidéo. En effet, le fait que deux objets tombaient significativement plus lentement indiquait qu’une force autre que la gravité jouait un rôle dans le mouvement d’au moins deux objets sur trois. Puisque ces objets tombaient dans l’air, le frottement de l’air était la seule autre force possible. Les élèves pouvaient aussi percevoir l’effet du frottement sur le mouvement en observant le graphique de la vitesse en fonction du temps. En effet, pour deux objets, la relation entre la vitesse et le temps n’était pas linéaire. L’affichage d’une courbe théorique (avant ou après avoir affiché les courbes expérimentales) correspondant à une droite permettait d’obtenir cette conclusion de façon plus formelle. Une autre façon de percevoir l’effet du frottement sur le mouvement était de créer une balle simulée pour reproduire le mouvement observé. On pouvait alors constater en comparant les images, les graphiques ou les valeurs numériques que l’ajustement des paramètres d’une balle simulée sans frottement ne permettait pas de reproduire le mouvement de deux objets sur trois.
L’obtention d’une réponse à la deuxième question impliquait que les élèves tentent de reproduire en simulation le mouvement de chacun des objets. Ils devaient pour cela considérer et ajuster les paramètres associés au frottement. La comparaison entre les images superposées (réelles et simulées) ou entre les graphiques superposés (expérimentaux et simulés) permettait d’évaluer à quel point la simulation permettait de reproduire la réalité.
Résultats, interprétations et discussion 133
Finalement, la troisième question demandait aux élèves de se prononcer sur le type de frottement présent. Encore une fois, c’est la comparaison entre la simulation et la réalité qui leur permettait de choisir, pour chaque objet, le type de frottement qui permettait le mieux de reproduire le mouvement observé.
6.3.3. Synthèse de l’évaluation des aspects techniques par les
élèves
Nous avons commencé par examiner l’évaluation que les élèves ont faite des aspects techniques de l’environnement d’apprentissage. De façon générale, nous croyons que les élèves se sont montrés relativement satisfaits de l’environnement et l’ont utilisé avec une facilité surprenante. Il nous a même semblé, quoique nos données ne permettent pas de comparer formellement les élèves et les professeurs, que les élèves se sont tout d’abord familiarisés avec les fonctionnalités de l’environnement plus rapidement que les professeurs qui avaient participé aux mises à l’essai et ont ensuite utilisé l’environnement avec plus de facilité que ces mêmes professeurs. Les exemples suivants de commentaires des élèves (associés aux élèves A, B, C, D et dont le numéro correspond au rang de l’intervention de l’élève durant la mise à l’essai, voir l’Annexe IV), permettent de se rendre compte de la relative satisfaction des élèves quant à l’utilisation l’environnement.
« Le fait qu’on puisse mettre la balle en même temps que le vidéo ça permet vraiment d’essayer » (A164), « Ce fut bien intéressant. Le logiciel est vraiment complet » (A165), « C’était vraiment intéressant » (B156), « c’est un très bon programme » (C96) , « C’est une bonne pensée que de prendre les vidéos » (C98), « C’est un programme qui est le fun » (C98), « Moi, j’aime bien le programme, l’idée de mettre des images et avec des points calculer les vitesses, je trouve ça intéressant. Quand même. De pouvoir mettre des objets en même temps qui réagissent, changer les variables, c’est une super idée » (D134). « Je veux juste voir. Juste pour le fun » (D131)
Après avoir fait ces commentaires à la fin de la mise à l’essai, les élèves n’ont proposé que quelques modifications à l’environnement d’apprentissage. La liste des propositions apparaît dans le tableau ci-dessous. Il est à noter que les deux équipes d’élèves ont proposé certaines modifications identiques sans se consulter. La première proposition (commune aux deux équipes d’élèves) consiste à permettre de cliquer sur un des points du graphique pour afficher les paramètres qui lui sont associés. La seconde proposition (qui reprend une proposition faite précédemment par un professeur et que nous n’avions pas effectuée par manque de temps) consiste à permettre de mesurer et d’afficher les graphiques de plusieurs objets simultanément. Les autres propositions concernent des aspects plus techniques et relativement faciles à régler. Nous avons choisi de reconnaître la pertinence de l’ensemble de ces propositions et nous avons effectué des modifications pour la plupart d’entre elles.
134 Chapitre 6
Tableau XVIII. Liste des propositions de modification obtenues lors des mises à l’essai empiriques
Description de la modification Effectuée 1. Cliquer sur un point du graphique pour afficher les paramètres de ce point.
2. Mesurer la position de plusieurs objets simultanément. 3. Afficher les graphiques de plusieurs objets simultanément 3. Régler le problème de simulation associé à Cv2.
4. Ajustement de la dimension de la fenêtre à un mètre étalon.
5. Diminuer le flou dans les images en utilisant une caméra vidéo plus rapide.
X - X X X X
Les propositions précédentes de modifications ont été formulées par les élèves à la fin de l’expérimentation. Cependant, l’examen de l’enregistrement complet du cheminement des élèves (qui apparaît dans l’Annexe IV) permet aussi de mettre en évidence certaines difficultés éprouvées par les élèves durant l’expérimentation et qu’ils n’ont pas nécessairement mentionnées lors de leur commentaire final.
La première difficulté que nous avons observée dans les enregistrements concerne le processus de mesures. Nous avons choisi, à titre d’exemples, les enregistrements suivants, tirés de l’Annexe IV, qui concernent tous la difficulté à choisir le point précis ou cliquer pour mesurer la position d’un objet sur la séquence vidéo :
« C’est dur de prendre un point quand même » (A7), « Oh boy! On ne voit plus trop » (B9), « C’est-tu vraiment là? » (A10), « Pas tout à fait mais… C’est à peu près » (B10), « Oui mais c’est parce que l’objet se déforme » (B12), « L’image est plutôt floue » (C3), « il y avait une image floue quand on déterminait nos points de la balle »(C14), « Quel point on pourrait prendre là dedans? » (D37), « Quand le filtre est moins flou, ça prouve qu’il va moins vite » (C51), « C’est difficile d’être précis quand c’est difficile de faire les points » (C62), « Ça prendrait une caméra tu sais à haute vitesse » (D83), « S’il y avait une caméra qui prenait plus d’images par seconde, on aurait moins de flou » (C99).
Nous croyons que ce type de difficulté est causé par la faible qualité de la caméra vidéo utilisée (de type webcam). En effet, la fréquence maximale d’acquisition des images ayant été relativement lente (de l’ordre de 10 images par seconde), le flou dans les images a été inévitable lors des mouvements rapides. Nous sommes convaincu que l’utilisation d’une caméra de meilleure qualité et permettant une plus grande fréquence d’acquisition diminuerait considérablement le flou dans les images, suffisamment pour les besoins de l’expérimentation effectuée par les élèves. C’est d’ailleurs une des propositions de modification des élèves (commentaire D83). Il est important de noter ici que la difficulté introduite par le flou dans l’image n’est pas de nature à rendre l’expérimentation impossible mais seulement de rendre la mesure un peu moins fiable et l’apparence des images un peu moins esthétique.
La seconde difficulté qui apparaît dans les enregistrements des élèves concerne la mesure de plusieurs objets simultanément. Les élèves et les professeurs avaient d’ailleurs fait des propositions de modification en ce sens. Nous avons retenu les enregistrements suivants pour illustrer cette difficulté :
Résultats, interprétations et discussion 135
« Je n’ai pas voulu faire ça » (B14), « Ah non! Je pense que t’es mieux de faire les trois ensembles. Au pire, Il va « catcher ». Ben, il va peut-être « catcher » » (A15). « Peut-être ce qui serait bien ça serait d’avoir les trois graphiques des trois objets en même temps. C’est pas possible actuellement. Il faut les faire un par un » (B157).
Comme nous l’avions mentionné précédemment, cette limite de l’environnement d’apprentissage avait été observée précédemment mais il nous avait été impossible de faire la modification avant l’expérimentation avec les élèves. Les difficultés éprouvées par les élèves ne font que confirmer notre position que des modifications conséquentes devront être effectuées dès que possible. Encore une fois cependant, cette difficulté n’a pas empêché les élèves de faire leur analyse puisque ceux-ci ont procédé de façon séquentielle, un objet à la fois plutôt que trois objets simultanément.
La troisième difficulté qui apparaît dans les enregistrements des élèves concerne le décalage de l’origine temporelle (t=0) sur la séquence vidéo. En effet, lors de la prise d’une séquence vidéo, le moment où les objets se mettent en mouvement ne correspond pas nécessairement avec la première image de la séquence, ce qui peut rendre plus difficile l’analyse de la séquence. Nous avons retenu les enregistrements suivants pour illustrer cette difficulté :
« Il y a quelque chose dont on n’a pas tenu compte. Eux ils le lâchent genre dix minutes trop tard » (B78), « Jusque là faut que la gravité aussi soit zéro parce que sinon il va descendre. On ne veut pas qu’il bouge dans le fond jusqu’à temps que… » (B79), « Donc